Modellierung der Vernetzungsdynamik von Ethylen-Vinylacetat
Die Einkapselung von Solarzellen ist ein wichtiger und zeitintensiver Schritt in der Produktion von Photovoltaik (PV)-Modulen. Das Einkapselungsmaterial verbindet die verschiedenen Komponenten, wirkt dabei als elektrischer Isolator und gibt dem Modul mechanische Stabilität (Abb. 41). Außerdem muss das Material thermisch stabil und optisch sehr transparent sein, um die hohen Anforderungen an eine lange Lebensdauer der PV-Module zu erfüllen.
Ethylen-Vinylacetat (EVA) ist das meistgenutzte Einkapselungsmaterial in der PV-Industrie. Es ist ein sogenanntes Elastomer, also ein Polymer, das unter Wärmeeinwirkung irreversibel quervernetzt, siehe Abbildung 42. Der Endvernetzungsgrad nach der Einkapselung (Lamination) des PV-Moduls ist höchst relevant für die spätere Funktionalität des EVA. Unzureichende Vernetzung kann zu Delamination und Korrosion im PV-Modul führen und die mechanische Steifigkeit des EVA beeinflussen. Andererseits ist es überaus wünschenswert, den Laminationsprozess zu verkürzen und damit die Produktionskosten für PV-Module zu reduzieren. Ein zuverlässiges phänomenologisches Modell der Vernetzungsdynamik ist ein entscheidendes Werkzeug für die Optimierung des Laminationsprozesses, da es die Vorhersage des Endvernetzungsgrades für beliebige zeitabhängige Temperaturprofile erlaubt.
Um ein phänomenologisches Vernetzungsmodell zu entwickeln, wurden die zeitabhängigen Vernetzungsgrade des EVA für verschiedene Vernetzungstemperaturen gemessen. Der Vernetzungsgrad lässt sich sehr leicht mechanisch bestimmen, weil die Anzahl der Quervernetzungen die Änderung der mechanischen Steifigkeit direkt beeinflusst. Im Gegensatz zu Methoden wie der Gel-Extraktion und Quellexperimente können mechanische Messungen kontinuierlich in einem Rheometer bei definierten Temperaturen durchgeführt werden. Damit wird die volle Dynamik der Vernetzungsreaktion zugänglich. Abbildung 43 zeigt die gemessene Zeitabhängigkeit des Vernetzungsgrades für verschiedene isotherme Messungen. Die Vernetzungsdynamik weist drei wesentliche Merkmale auf:
• Abhängig von der Vernetzungstemperatur beginnt die Vernetzungsreaktion zu unterschiedlichen Zeiten. Diese Anfangsperiode wird Inkubationszeit genannt.
• Die Reaktion verläuft bei höheren Temperaturen schneller.
• Die Änderung im Schermodul sättigt bei signifikant unterschiedlichen Werten.
Wir betrachten ein phänomenologisches Modell des Vernetzungsprozesses, das aus zwei konkurrierenden Reaktionspfaden besteht, von denen jeder einzelne Pfad durch eine einstufige Geschwindigkeitsgleichung erster Ordnung bestimmt wird. Die Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit folgt dabei einem Arrheniusgesetz. Dieses Modell wird anschließend an die gemessenen Daten angepasst, um die die Modellkonstanten zu bestimmen. Die Inkubationszeit wird in einem separaten Schritt mit einer weiteren Arrheniusgleichung bestimmt.
Ein guter Test für dieses Modell ist der Vergleich mit einem nicht-isothermen Vernetzungsprozess. Damit gehen wir über den Bereich der zur Modellanpassung verwendeten Daten hinaus und prüfen die Qualität der Vorhersagen aus diesem Modell. Abbildung 44 zeigt den gemessenen Vernetzungsgrad (hellblau) für zeitabhängige Temperaturen (grün), sowie den aus dem Modell berechneten zeitabhängigen Vernetzungsgrad (dunkelblau). Bei jeder Temperaturstufe ist eine signifikante Änderung der Vernetzungsdynamik zu beobachten, zum Beispiel beim Temperatursprung von 130° C auf 150° C. Dort bildet die Änderung der Steigung der Vernetzungsgradkurve die Beschleunigung der Reaktionsdynamik deutlich ab. Mit Ausnahme einer geringen Abweichung beim letzten Temperaturschritt stimmen die Modellvorhersagen und die Messergebnisse aus dem Rheometer gut überein.
Mit diesem Modell ist es nicht nur möglich, den Endvernetzungsgrad für einen realistischen Laminationsprozess zu berechnen, bei dem die zeitabhängigen Temperaturen bekannt sind. Man kann auch den Laminationsprozess für verschiedene Szenarien optimieren. Beispielsweise lässt sich die kürzeste Vernetzungszeit unter Berücksichtigung von Temperaturlimits und einem minimalen Endvernetzungsgrad bestimmen.
